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整理包装工艺课程设计案例

例2:

饮品包装保护与包装工艺设计

1奶粉包装保护的基本要求与包装方案设计

1.1奶粉包装保护的基本要求

1.1.1奶粉特点

 奶粉是目前中国市场上最主要的固态奶制品,它虽然是干燥制品,储藏性能优于液态奶,但也属于易变质食品,因此,奶粉包装是保持奶粉品质的重要手段。

相对于液态奶制品来说,奶粉的包装品种较少,主要是金属容器(高档包装)和塑料复合袋,以及最近新出的纸盒包装。

奶粉的制作过程:

生鲜牛奶运到工厂后,检测人员首先要对奶源进行检测,只有检测合格的牛奶才能通过全密闭的不锈钢管道进到净乳机中,进行第一步加工。

净乳机利用离心力原理,对牛奶中的杂质进行分离,以达到净化牛奶的目的。

经过净化的鲜奶被迅速冷却到2℃~5℃后,进到储奶仓。

之后,储奶仓内的牛奶会通过管道进到配料舱内。

工作人员根据不同奶粉的标准要求进行配料。

配料完毕的牛奶还要经过12~15MPa大气压的高压均脂泵进行均脂处理。

经过消毒、灭菌处理后的牛奶会在真空状态下进行浓缩。

再经过二次附聚的喷粉加工,牛奶就变成了粉状。

但这样的奶粉还不能出厂,还需流化床将奶粉中较细小颗粒聚积成较大颗粒,以便消费者用水一冲,就可以充分溶解。

制成的奶粉随后通过真空包装机在没有污染的环境下罐装进铁听和袋子里。

这样奶粉才完成了整个生产工艺。

在整个生产过程中,工人基本不与产品直接接触。

奶粉制品富含蛋白质、脂肪等各种营养物质,如全脂乳粉的乳脂肪含量可达26%左右,所以易受日光、氯气等作用而变化。

此外,由于乳粉颗粒的多孔性,其表面积很大,吸潮性强,一旦受潮就会结块引起细菌的繁殖,当与其他物品混库存放时,如果包装的气密性不好,则很容易吸收其他物品的异味而影响本身的气味。

在紫外线的照射下,奶粉等制品还会发生分解,所以对乳粉制品的称量、包装操作和包装容器的种类都必须充分注意,主要是防止受潮、氧化、阻止细菌的繁殖,避免紫外线的照射。

奶粉经常出现的变质包括:

(1)脂肪酸败味:

这主要是奶粉加工时杀菌不彻底,牛乳中的脂酶水解乳粉中脂肪所致。

防止办法是在生产时提高杀菌温度,如超高温杀菌,目前奶粉多采用此种杀菌工艺,故此缺陷现已很少。

  

(2)脂肪氧化味:

这主要是奶粉中的不饱和脂肪酸氧化所致,主要影响因素是氧、光线、重金属(尤其是铜)、酶和酸度引起,故奶粉贮存时应避光、热,密封,不和金属器皿直接接触。

  (3)陈腐气味和褐变:

这是奶粉受潮所致。

故奶粉贮存时应防止受潮,开启食用后应尽可能挤出空气扎紧,以免水分进入。

奶粉吸潮后除上述不良反应外,还会结块,影响其冲调性和溶解度。

(4)细菌性变质:

奶粉在正常含水量时,细菌不会繁殖,反而会随时间的延长而下降(5~37℃贮存)。

但如含水量超过5%,细菌会生长而引起奶粉变质,故奶粉开启后不宜放置时间过长,以免受潮变质。

 

图1奶粉生产工艺流程

1.1.2奶粉包装保护的基本要求

(1)防污染。

奶粉营养丰富,是微生物理想的培养基,如果包装不好,极易受到微生物污染变质;   

(2)防受潮。

由于奶粉颗粒的多孔性,其表面积很大,吸潮性强,一旦受潮就会结块引起细菌的繁殖;   

(3)保护奶粉的营养成分和组织状态。

奶粉的乳脂肪是乳制品独特的风味来源,而且含量高,如全脂奶粉中脂肪可达26%左右,所以易受日光、氧气等作用而变化、变味。

此外,当与其他物品混库存放时,如果包装的密封性不好,则很容易吸收其他物品的异味而影响奶粉本身的气味。

在紫外线的照射下奶粉产品还会发生分解。

因此,奶粉的包装必须考虑到防止受潮、氧化、阻止细菌的繁殖以及避免紫外线的照射等因素。

1.1.3现有奶粉包装的形式

奶粉的包装品种较少,主要是金属容器(高档包装)和塑料复合袋,以及最近新出的纸盒包装。

奶粉塑料复合包装袋按结构形式可分为透明复合包装袋、铝箔复合包装袋和真空镀铝复合包装袋等。

普通的BOPP/PE透明塑料复合包装袋由于奶粉保质期较短已经逐步被市场淘汰,而铝箔复合包装袋由于成本相对较高,所占的市场份额也不大;真空镀铝复合包装袋因其优越的性能。

低廉的成本而成为袋装奶粉包装的主流形式。

但是塑料膜隔热、隔光性能差,奶粉容易变质,只能满足短期储藏的需要;而且塑料薄膜脆而易折,容易造成破损。

金属罐包装以其更好的密闭性、阻隔性和外表美观的特点被大多数奶粉生产厂家用作高档次的奶粉包装形式。

其具有档次高、使用方便、保质期长(2年以上)等优点。

三片罐包装一般都采用真空充氮包装。

但是充氮包装的产品到了高原地区,由于高原空气稀薄,气压小,内外压力失衡,容易导致铝箔被内压冲破。

可以通过改进铝箔设计,很好的解决这一难题。

最近美国惠氏公司在华全面推出盒装奶粉,主攻中档价格奶粉市场。

纸盒包装具备安全卫生、成本低等优点。

但包装工艺尚不成熟。

1.2奶粉保护方案设计

1.2.1奶粉销售包装定位

奶粉包装主要有以下几种形式:

复合塑料膜包装、金属罐包装和纸盒包装。

金属罐包装以其良好的密闭性、阻隔性和外表美观的特点被大多数奶粉生产厂家用作高档次的奶粉包装形式,并大多数用于婴幼儿奶粉包装。

进口奶粉包装内容较进口奶粉丰富得多,有重要声明、注意事项、喂哺表、奶具消毒方法、营养成分表、生产日期、保质日期、厂址等各种材料,同时为产品配备了专用量匙。

1.2.2奶粉的保护包装方案

干燥的奶粉,其含水率相当低,而且金属罐的透湿率为零,因此其是不容易发生水解酸败的。

则听装奶粉最重要的是避免与氧气接触,防止氧化,保护奶粉的营养成分和组成状态。

目前通过改变包装内气氛来延长产品保存期的办法有脱氧剂封存包装、真空包装和充气包装。

脱氧包装、充气包装和真空包装的比较如下表所示。

表1脱氧包装、充气包装和真空包装的比较

项目

脱氧包装

真空包装

充气包装

原理

化学除氧

抽真空除氧

将包装内空气置换为有利于产品保存的气体

除氧率

几乎达到100%

除氧不完全

除氧率低,通常剩余

2%~4%的氧

操作及所用设备

无须特殊设备,操作简便

设备昂贵

设备复杂,工作量大,效率低

缺点

吸氧产生负压,不能抑制厌氧菌和酵母菌的生长

不适宜于真空状态下易破碎、易变形产品的包装

多孔性物质内部的气体不易被置换

据此拟定以下三种包装保护方案

包装保护方案Ⅰ—添加抗氧化剂:

抗氧化剂NDGA的最适宜用量相当于奶粉中卵磷脂含量的0.001%一0.01%。

它可选用甲硫基丁氨酸、抗坏血酸和柠檬酸等酸类作为增效剂。

当奶粉的pH值为6.5时,抗氧化效果最好。

不过,这类增效剂当奶粉贮存九个月以后,其作用会逐渐地减弱。

同时抗氧化剂对奶粉的包装容器提出了严格的要求,应该尽量避免产品直接与金属接触,哪怕是由于金属容器内表面涂层不完善,也会促进产品的氧化酸败。

考虑到奶粉是用铁听装,金属容器内表面涂层的不完善会影响储存期,同时奶粉的消费者大多数为婴幼儿,应尽量少添加化学物质。

因此不选用此包装保护方案。

包装保护方案Ⅱ—真空包装:

将奶粉装入气密性包装容器,然后抽去容器内部的空气,造成一定的真空度,再进行密封封口。

一般来说,将奶粉进行真空包装时,真空度越高,包装效果越好,保质期也越长。

马口铁罐密封非充氮包装保存期为1年。

此听装奶粉的储存期要求18个月,因此不选用此包装保护方案。

包装保护方案Ⅲ—真空充氮包装:

奶粉装入金属罐,抽真空后再充入保护性气体氮气,然后将包装密封。

充氮包装是使用半自动或全自动的真空充氮封罐机,在称量装填之后抽成真空以排除奶粉及罐内的空气,然后立即充以纯度为99%以上的氮气再进行密封。

这是目前奶粉密封包装最好的方法之一。

表说明了充氮包装对奶粉储存期的影响。

同时实验表明,充氮包装的全脂乳粉在24℃下保存时,贮藏9个月后,其风味基本不变;而不充氮包装的全脂乳粉,贮藏4个月后,其风味就会发生变化,质量明显下降。

全脂乳粉采用500g铁罐充氮密封包装,保藏期可达3~5年。

一般情况下,马口铁罐密封充氮包装保存期为2年。

表2干燥奶粉处理方法对其质量的影响

热处理规范

贮存温度

(℃)

包装方法

保持时间(天)

贮存时间延长百分率

温度℃

时间(分)

真空法

脱氧法

79

85

71

85

85

30

10

20

30

20

20

30

37

37

37

含空气

含空气

充氮

充氮

充氮

255

126

130

84

75

325

168

181

180

138

31.0

33.0

39.0

118.0

84.0

奶粉要求的保质期为18个月,因此保护方法选用真空充氮包装

1.3奶粉包装保存期的计算

实验表明,听装奶粉充以纯度为99%以上的氮气再进行密封包装,保存期可达2年。

2奶粉包装保护的结构设计与设计计算

2.1销售包装容器的设计与设计计算

2.1.1包装容器类型

听装奶粉的包装材料为镀锡薄钢板,俗称马口铁。

马口铁主要由钢基材、锡铁合金层、锡层、氧化膜和油膜组成,其各层的主要成分、厚度范围及性能特点如下表。

听装奶粉选用三片罐。

表3镀锡薄钢板(马口铁)

结构名称

厚度范围

主要成分

性能特点

热浸镀锡板

电镀锡板

热浸镀锡板

电镀锡板

油膜

20mg/m2

2~5mg/m2

棕榈油

棉籽油或癸二酸二辛酯

润滑和防锈

氧化膜

3~5mg/cm2

(单面)

1~3mg/m2

(单面)

氧化亚锡

氧化亚锡

氧化锡

氧化铬

金属铬

电镀锡板表面钝化膜是经化学处理生成的,具有防锈、防变色和防硫化斑作用

锡层

22.4~44.8g/m2

5.6~22.4g/m2

纯锡

纯锡

美观、易焊、耐腐蚀,且无毒害

锡铁合金层

5g/m2

小于1g/m2

锡铁合金结晶

锡铁合金结晶

耐腐蚀,如过厚加工性和可焊性不良

钢基板

制罐用

0.2-0.3mm

制罐用

0.2~0.3mm

低碳钢

低碳钢

加工性能良好,制罐后具有必要的强度

 

图2马口铁截面示意图

1—钢基板2—锡铁合金层3—锡层4—氧化膜

2.1.2包装容器尺寸

小容器密封包装的规格有454克、500克、1135克、2270克四种。

市面上销售的听装奶粉的规格一般为900克。

此听装奶粉的规格为1200克,查相关标准,奶粉密度约为0.5g/cm3,则奶粉的体积为

V=1200g/(0.5g/cm3)=2400cm3

表4奶粉用圆形罐的公称直径

公称直径mm

738399127153165189

被包装物的填装率为85%~95%,则奶粉罐容积为2526ml~2824ml,市面销售900克罐装奶粉罐体直径为127mm,则1200克奶粉罐公称直径选153mm。

设罐高为H,则有

Hπ*(D/2)2=2526~2824cm3

解得,H=13.8~15.3取H1=15cm

查表,罐内径为153.2mm,罐底尺寸D1=153.4+18.0=171.4mm

罐底和上缘部分高度均为3.3mm,盖上塑料盖后高度增加约5mm,则

H=150+2*3.3+5=161.6mm

2.1.3包装容器结构设计

现有包装容器存在问题:

(1)国产奶粉多为杠杆开启罐,开启需借助特殊工具,不方便;

(2)非易拉式铝箔封口的听装奶粉开启方法为:

开罐前应检查开启工具是否完好无损,是否洁净;3开启后,应该将所有的铝箔撕干净,不要残留在罐上。

正确的开启方法是:

使用完整无损且锋利的剪刀或割刀,开封前,用干净的无纤维纸或布不重复轻轻擦拭刀刃表面,观察无纤维纸是否有金属屑和刀刃是否有毛边或凹痕。

开罐时,请用割刀或剪刀在铝箔中部不重复轻轻划开,用手捏紧开口的一端,沿罐壁撕开,尽量用力均匀防止铝箔破损脱落铝箔碎屑。

消费者在实际开启过程中一般不会完全按照要求的开启方式进行开启,并且不能保证开启工具的洁净无菌。

(3)量匙在搬运、装卸、运输过程中受冲击振动而沉入奶粉底部,用户开启后找不到量匙,造成食用上的不便。

考虑罐装奶粉的密封性、安全性和易开启性,选用易拉式铝箔封口,同时模仿八宝粥的勺子存放形式,将量匙卡在塑料盖内。

如下图所示

 

1-拉环2-铝箔图4外塑料盖内部结构图

3-镀锡薄钢板圈4-连接处

图3易开盖

2.1.4绘制包装容器结构设计图

见附图

2.2运输包装容器的设计与设计计算

2.2.1运输包装容器类型

我国,乳品外包装箱大多采用纸箱包装,而瓦楞纸箱作为乳品的外包装具有自己的一些优势:

首先,瓦楞纸箱对于商品来说具有较强的保护性能,它优良的抗压、抗戳穿和防潮性能都是其他包装所不能与之相的。

其次,瓦楞纸箱在颜色和图案上可以灵活多变,它可以应用预印或覆面技术,来赋予纸箱比较精美的图案,使之拥有强大的销售功能。

再次,瓦楞纸箱有很好的密闭性,对于长途运输的商品来说能起到很好的保护作用。

最后,与塑料周转箱相比,虽然,塑料周转箱可以经回收后重复使用,但在外观上是比较脏的,而纸箱却是干净美观的。

因此听装奶粉运输包装选择瓦楞纸箱。

听装奶粉的档次较高,为了提高对商品的保护性,一箱装六听奶粉,查圆柱体运输包装尺寸系列标准(GB/T13201-1997),选择B04型包装单元排列方式,如下图所示

 

图5铁听排列方式

内装物重量W=nw=6*1.2kg=7.2kg

内装物综合尺寸

L0=nD1+(n-1)△=3*171.4+(3-1)*1=516.2mm

B0=nD1+(n-1)△=2*171.4+(2-1)*1=343.0mm

H0=H=161.6mm

L0+B0+H0=516.2+343.0+161.6=1020.8mm

查GB6543-86,选择纸板代号为S-1.3;因为马口铁罐较硬,因此选择平压强度高的B型瓦楞纸板。

2.2.2运输包装容器尺寸

(1)内装物外廓尺寸

被包装商品尺寸变动系数为:

具有可压缩性的针棉织品Δ=±3mm/打,中包装纸盒Δ=±1~2mm/个;不可压缩性商品,如玻璃瓶罐,Δ=1~2mm/个。

听装奶粉属于不可压缩商品,取Δ=1mm/个

L0=nD1+(n-1)△=3*171.4+(3-1)*1=516.2mm

B0=nD1+(n-1)△=2*171.4+(2-1)*1=343.0mm

H0=H=161.6mm

(2)纸箱内尺寸

表5纸箱内部尺寸修正系数(mm)

kLi

kBi

kHi

小型箱

中型箱

大型箱

3~7

3~7

1~3

3~4

5~7

长度和宽度方向修正系数取5mm,高度方向取2mm

纸箱内尺寸:

L’=L0+△X0=516.2+5=521.2mm

B’=B0+△X0=343.0+5=348.0mm

H’=H0+△X0=161.6+2=163.6mm

(3)纸箱制造尺寸

表602型纸箱内尺寸伸放量(mm)

A

B

E

AB

L1

L2

B1

B2

H

6

4

6

3

9

3

2

3

2

6

2

1

2

1

3

9

6

9

5

18

查表选取B型瓦楞在长宽高方向尺寸的伸放量,单瓦楞纸板接头尺寸为35~40mm,接头尺寸取40mm,摇盖伸放量取2mm,则纸箱的制造尺寸为

L1=L’+△X’=521.2+3=524.2mm

L2=L’+△X’=521.2+2=523.2mm

B1=B’+△X’=348.0+3=351mm

B2=B’+△X’=348.0+2=350mm

H=H’+△X’=163.6+6=169.6mm

F=(B1/2)+△X’=351/2+2=177mm

J=40mm

(4)纸箱外尺寸

B型单瓦楞纸板的外尺寸加大值△X=3~5mm,故瓦楞纸箱外尺寸为

L’’=L1+△X=524.2+3=527.2mm

B’’=B1+△X=351+3=354m

H’’=H+△X=169.6+5=174.6mm

2.2.3运输包装容器结构设计

由于瓦楞纸箱较小,因此无须手孔设计,选择应用最广泛的0201型箱。

2.2.4绘制运输包装容器结构设计图

 

图6瓦楞纸箱平面展开图

2.2.5运输与堆码中强度计算

(1)确定堆码层数

一般仓库堆码高度为3~4m,汽车内堆高限为2.5m,火车内堆高限为3m,远洋货船舱舱内堆高限为8m考虑奶粉为内销产品,则堆码高度为4m,堆码层数

N=h/H=4000/188=22

堆码载荷P=W*(N-1)=7.2*9.8*(22-1)=1481.8N

(2)确定载荷系数K

抗压强度安全系数K根据瓦楞纸箱所装物品的贮存期和贮存条件决定:

a贮存期小于30天,K=1.60;b贮存期30~100天,K=1.65;c贮存期100天以上,K=2.00

奶粉的保存期为18个月,因此载荷系数K=2。

(3)堆码强度条件

PC≧KP=2*1481.8=2963.6N

(4)堆码要求的纸板的环压强度

表7凯里卡特公式中的常数值

常数

楞型

A型

B型

C型

AB型

BC型

AC型

aXZ

8.36

5.0

6.1

13.36

11.1

14.46

J

0.59

0.68

0.68

0.635

0.68

0.635

C

1.532

1.37

1.477

2.893

2.838

3.009

查表得楞常数aXZ=5.0,箱常数J=0.68,则瓦楞纸箱的的抗压强度为

PC=1.86PX(aXZ/(Z/4))2/3ZJ=1.86PX(5.00/(176.2/4))2/3*176.2*0.68

根据PC≧P有1.86PX(5.00/(176.2/4))2/3*176.2*0.68≧2963.6

得PX≧56.73N/cm

(5)初选箱板纸和瓦楞芯纸

面纸和芯纸的选配:

听装奶粉为贵重物品,外面纸选用A等和B等的箱板纸,其中A等作外面纸,B等作内面纸;芯纸选用B等。

同时为了降低成本,选用低克重高强度的面纸和高克重高强度的芯纸。

等级

定量g/m2

环压指数N*m/g

外面纸

A

200

8.4

内面纸

B

250

8.4

芯纸

B

200

7.1

(6)计算纸板的环压强度

查表B型瓦楞的展开系数为1.37,

瓦楞纸板的综合环压强度PX=∑rQ+∑crMQM

PX=∑rQ+∑crMQM=200*8.4+250*8.4+1.37*7.1*200=6649N/m=66.49N/cm》57.25N/cm

满足条件

3奶粉包装工艺设计

3.1奶粉包装的包装工艺路线的拟订

3.1.1拟订奶粉包装工艺路线

 

图7奶粉包装工艺路线图

铁听包装奶粉的工艺为:

理罐、吹扫杀菌、翻罐、计量充填、封罐、罐底喷码、压塑料上盖、装箱码垛。

3.1.2主要包装设备的选用

(1)充填设备的选择

奶粉的年产量为3万吨,产量较大,并且充填精度越高越好,因此选用双龙60高速充填设备,其巧妙地将容积法与称重法相结合,采用两次加料的形式,实现高速度、高精度的计量充填。

主要技术参数如下表所示

表8双龙60高速充填设备技术参数

型号

双龙60

最大充填体积

6000ml

称重控制精度*

±1.5g

最大充填速度**

60次/分钟

机器重量

1500Kg

电源和功耗

AC380V±5%,50Hz,6KW

设一年的工作日为300天,一班工作八小时,每天三班倒,则年生产率为

300*8*24*60*1.2=4147200=4.15万吨>3万吨

因此选用此设备满足需要的生产率。

(2)真空充氮设备的选择

奶粉易氧化变质,为了延长奶粉保质期,要求残氧量小于等于1%。

根据铁听罐的高度、直径以及其速度应大于等于双龙60高速充填设备,选择U571抽真空充氮封罐设备。

其技术参数如下表所示

表9U571抽真空充氮封罐设备技术参数

型号

U-571

适用范围

铁罐(听)、全自动抽真空、充氮、封口

罐(听)规格

直径:

73~171mm   高度:

50~190mm

运行速度

根据不同的产品,约为9~10罐/分钟/头

残氧量

根据不同要求,可低于0.5%

气源气压

≥0.6MPa

耗气量

0.1L/罐

电源

单相220V±11V50HZ

功率

4Kw

主机重量(Kg)

375Kg

3.1.3奶粉包装工艺过程简表

表10包装工艺过程简表

工序

工步

工序内容及要求

包装设备与工艺装备

包装产品

名称

数量

 

1

1

2

3

包装准备

准备无菌奶粉

环境消毒

验收马口铁罐

 

 

2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

充填

罐的供给

理罐

吹扫杀菌

(二)安全评价的基本原则翻罐

定量充填

预封罐

抽真空、充氮、封罐

(3)建设项目对环境可能造成影响的分析、预测和评估。

喷码

(7)列出安全对策措施建议的依据、原则、内容。

翻罐

压盖

 

3.政府部门规章输送带

理罐机

翻罐、吹洗杀菌机

环境影响评价工程师课主持进行下列工作:

双龙60高速充填设备

大纲要求封罐机

U571抽真空充氮封罐设备

激光喷码设备

翻罐器

压盖器

 

2.间接市场评估法

本章中环境影响评价制度,2010年的真题中全部集中在环境影响评价这一节。

环境保护的对象,环境影响评价制度,环境影响评价文件的组成、文件的报批等是历年考试的热点。

第1页

(1)规划和建设项目环境影响评价。

 

易拉罐盖

 

塑料盖

 

3

检验

对包装等采取抽样方法进行抽验

4

 

1

2

3

4

装箱

6罐/箱

装箱

测重

封口

打印日期

 

ZXP-01自动装箱机

5

堆码

在托盘上堆码8层

MH-DM-1600A堆码机

6

拉伸包装

缠绕式拉伸包装机

LLDPE拉伸薄膜b=500

7

入库

叉车

高速全自动听装线包括:

理罐机→翻罐、吹洗、杀菌机→变道输送带→双龙60高速充填设备→U571抽真空充氮封罐设备→链板输送带→喷码机→翻罐器→链板输送带→压盖器→装箱平台

全自动包装生产线简图如下图所示

 

 

1.翻罐机2.理罐、吹洗、杀菌机3.变速输送带4.双龙60高速充填设备

5.封罐机(预封)6.U571抽真空充氮封罐设备(抽真空、充氮)7.封罐

8.输送带9.喷码机10.翻罐机11.链板输送带12.压盖机13.工作台

图8罐装设备流程示意图

3.2包装工艺过程分析

3.2.1包装工序分析

包装工艺过程分为前期工作、灭菌处理和包装三部分。

包装的前期工作包括选择罐体材料,设计铁听罐结构图,并进行装潢设计,然后交付包装材料专业工厂按照装潢设计的图案、文字和色彩进行印刷,按结构设计生产铁听罐,最后将铁听罐、易拉结构封口和塑料封盖运入奶粉厂。

包装前后要对车间的环境进行灭菌处理,并保持车间环境内的气压高于外界大气压,以阻止外界空气进入车间,减少细菌和污物的侵袭。

包装工作阶段主要工序分析

(1)充填。

充填是整个包装工艺过程中最重要的工序,充填方法有

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